Pacing cardiaco. dispositivi minimamente invasivi. Thursday, December 13, 12

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1 Pacing cardiaco dispositivi minimamente invasivi

2 Potenziale a riposo cellula polarizzata Dovuto a diverse concentrazioni ioniche tra esterno e interno della membrana cellulare principalmente Na +, K +, Cl - pompa sodio-potassio meccanismo attivo: sodio fuori, potassio dentro influenzato dalla permeabilità e dalla selettività delle membrane cellulari + permeabile a K+, Cl- - permeabile a Na + A riposo all esterno abbiamo eccesso di carica +; all interno eccesso di carica - Na + Esterno + Interno K + - Si crea una differenza di potenziale (polarizzazione) a cavallo della membrana cellulare dovuta ad una diversa distribuzione ionica ai due lati della membrana (NERNST). Questo potenziale (negativo -70mV, tra esterno e interno) nelle cellule eccitabili (cellule nervose e muscolari) prende il nome di potenziale di riposo poiché caratterizza lo stato di riposo.

3 Potenziale di azione Sotto stimolazione la natura della membrana cambia bruscamente (fa passare Na+ verso l interno) la cellula si depolarizza (il potenziale cresce fino a mv per ms) e genera un potenziale di azione Periodo refrattario Dopo la depolarizzazione occorre aspettare un certo tempo prima di poter ottenere un nuovo potenziale di azione Meccanismo di conduzione Tipo domino il potenziale di azione di una cellula attiva quelle adiacenti e l impulso si propaga

4 Generazione e conduzione dell impulso Contrazione e depolarizzazione atriale (onda P) Avviata dal nodo seno-atriale sottile fascia di cellule poste nell atrio destro astabile triggerabile dal sistema nervoso centrale dà l avvio alla contrazione atriale (onda quadra dal periodo modulabile) L impulso di depolarizzazione si propaga lungo i muscoli degli atri (0.3 m/s) e su tessuto specializzato verso il nodo atrio-ventricolare (0.45 m/s)

5 Generazione e conduzione dell impulso Contrazione e depolarizzazione ventricolare (complesso QRS) L impulso atriale non può trasmettersi direttamente ai ventricoli L impulso arriva al nodo atrio-ventricolare (AV) che lo trasmette ai ventricoli attraverso il gruppo di HIS il nodo AV si comporta come un monostabile che introduce un ritardo di circa 100 ms per sincronizzare la contrazione ventricolare col flusso sanguigno 100ms Le fibre del Fascio di His propagano l'impulso alla massa cardiaca ventricolare, dividendosi in due branche, destra e sinistra. Fibre di Purkinje: conduzione veloce dell impulso (2-4 m/s) permettono di portare contemporaneamente l impulso di contrazione a tutti i muscoli del ventricolo

6 Generazione e conduzione dell impulso L insieme dei potenziali di azione delle cellule coinvolte e delle fibre muscolari dà luogo a un segnale rilevabile esternamente: ECG Onde P, Q, R, S, T Durata costante indipendente dalla frequenza del battito (dipende dalla velocità di conduzione e dal ritardo del nodo atrio-ventricolare) Corrispondenza tra caratteristiche elettriche del segnale ECG e comportamento meccanoidraulico del cuore Onda T corrisponde al periodo refrattario

7 Generazione e conduzione dell impulso

8 Segnali elettrici e meccanici

9 Patologie cardiache Infarto: scarsa perfusione cardiaca Aritmie: tachicardia (oltre 110 battiti/minuto), bradicardia (sotto i 50 battiti/minuto) Contrazioni premature atriali e/o ventricolari (generate da punti diversi dal nodo seno-atriale) Arresto cardiaco: interruzione percorso di conduzione dal nodo senoatriale al resto del miocardio (si recupera attraverso un PACEMAKER) FIbrillazione: perdita di fase delle cellule muscolari cardiache. Si perde la capacità di contrazione (si riflette in una perdita della forma d onda caratteristica dell ECG) Atriale, meno grave, resta QRS e una portata sufficiente Ventricolare: molto grave, potenzialmente mortale (DEFIBRILLATORE)

10 Stimolazione cardiaca tramite pacemaker Stimolatori cardiaci impiantabili si utilizzano in tutte quelle patologie dove l impulso cardiaco non viene generato e dove la conduzione dell impulso stesso è interrotta blocco atrio-ventricolare, blocco fascicolare, malattia del nodo seno-atriale uso più raro nelle tachiaritmie associato alla possibilità di defibrillare internamente

11 Tipologia di pacemaker stimolazione: atrio, ventricolo, atrio/ventricolo sensing: possibilità di rilevare l attività cardiaca residua e: rafforzarla (triggerati) on demand, evitare di stimolare quando l attività è sufficiente (inibiti) in caso non ci sia sensing si parla di modalità asincrona (frequenza di stimolo pre-impostata) programmazione: i parametri del pacemaker possono variare secondo impostazioni esterne (telemetria) o secondo le esigenze del paziente (rate responsive)

12 Classificazione pacemaker 5 lettere: cosa stimolo, dove è il sensing, come stimolo, cosa posso programmare, funzioni anti-tachicardiche (codice univoco, universale) 1a : cavità stimolata (A atrio, V ventricolo, D bicamera, O nessuna) 2a : cavità sensita (A atrio, V ventricolo, D bicamera, O nessuna) 3a : modalità di stimolazione (I inibita, T triggerata, D una o l altra in funzione del sensing, O asincrona) 4a : programmabilità (O nessuna, P semplice [frequenza e/o ampiezza], M multipla [più di due parametri], C controllo remoto tramite telemetria, R rate responsive) 5a : funzioni anti-tachicardiche (O nessuna, P stimolazione particolare, S shock defibrillatorio, D entrambe le precedenti)

13 Classificazione pacemaker AAIOS stimolazione inibita dall onda P (perchè sensing atriale) non programmabile e con defibrillatore VDDRO stimolazione ventricolare, triggerata o inibita in funzione della rilevazione dell onda P e del complesso QRS, rateresponsive

14 Caratteristiche funzionali Esterni o interni gli esterni si usano solo in applicazioni di cardiochirurgia Monocamerali o bicamerali Si stimola comunque sempre a Dx (elettrodo inserito tramite catetere venoso dalla vena cava: meno pressione) modalità di programmazione programmabili o meno (mentre si programmano funzionano comunque sempre in modalità asincrona)

15 Caratteristiche funzionali elettrodi unipolari/bipolari nel caso unipolare il catodo si trova nel cuore e l'anodo in un'altra parte del corpo; in genere l'anodo è proprio la cassa del pace-maker, realizzata in titanio (materiale biocompatibile). Il circuito elettrico si chiude attraverso il tessuto cardiaco e quello frapposto tra anodo e catodo. più robusto dal punto di vista meccanico nel caso bipolare, invece, anodo e catodo si trovano sull'estremità dell'elettrocatetere, distanziati di 2-3 cm, e sono posizionati internamente al cuore; il circuito elettrico, dunque, è localizzato completamente nella camera cardiaca da supportare. più fragile unipolari peggiori performance elettriche ma maggiore robustezza e affidabilità

16 Caratteristiche funzionali Unipolare Isolante Elettrodo PM Case conduttore: si comporta da secondo elettrodo richiusura corrente Bipolare Isolante Elettrodo PM richiusura corrente

17 Caratteristiche funzionali Rate responsiveness Capacità di adattarsi alle esigenze del paziente: prelievo di una serie di parametri del pazient eche vanno a modulare la risposta del pacemaker Antitachicardici: presenza di programmi speciali atti all eliminazione delle tachicardie Defibrillatori: presenza della funzione di defibrillazione

18 Elementi essenziali Lo stimolatore Gli elettrodi La telemetria La sorgente di energia

19 Lo stimolatore

20 Lo stimolatore Elettrodi atriali/ventricolari utilizzati sia per stimolazione che per sensing (sensing atriale onda P, sensing ventricolare QRS) Sensibilità: Guadagno dello stadio di ingresso del sensing. L ECG rilevato viene filtrato (passa banda) e viene discriminata l ampiezza del segnale (in digitale o direttamente in analogico utilizzando circuitistiche appropriate) il parametro rilevato viene usato dal micro-controllore (μc) per modulare il segnale di stimolazione e per decidere se stimolare o no Registri del μc: contengono i parametri della stimolazione/ sensing Esempio: parametri del filtraggio e dell amplificatore ECG, guadagno dell amplificatore in uscita (ampiezza del segnale di stimolazione)

21 Lo stimolatore ARA - protezione anti run away: evita che la frequenza di stimolazione superi un valore massimo 150 battiti/minuto (si potrebbe verificare per un guasto o un malfunzionamento del sensing) Protezione da interferenza: evita la falsa rilevazione dovuta all accoppiamento di disturbi elettromagnetici esterni o ad altri biopotenziali Parametri fondamentali dello stimolo gestiti dal μc periodo: fisso (PM asincroni) o rilevato tramite sensing o rate responsive. durata impostabile (esempio 500 μs) ampiezza impostabile su diversi valori (esempio 5V) tipicamente si parla di energia necessaria per attivare le cellule del miocardio 100μJ pompa di tensione in grado di incrementare la tensione della batteria (tipicamente inferiore ai 3V)

22 Lo stimolatore Oscillatore di backup: utile nel caso in cui le funzioni di sensing vengano perdute o in fase di programmazione garantisce almento un funzionamento asincrono Periodo refrattario: periodo durante il quale il sensing è cieco, ovvero durante la stimolazione cardiaca. Monitoraggio di parametri che potrebbero incidere sulla stimolazione e/o sensing: tensione della batteria, Rin batteria, R elettrodi (può variare nel tempo a causa di fenomeni legati all impianto, formazione di tessuto fibroso sulla superficie degli elettrodi)

23 Elettrodi Bipolari/unipolari Problema principale è l affidabilità: di cicli di flessione/torsione/trazione anno conseguenze di una rottura sono letali bipolari meno affidabili dal punto di vista meccanico Leghe metalliche inattaccabili, alta resistenza a fatica, lavorate a spirale (elasticità, flessibilità) Tessuto metallo

24 fase acuta Elettrodi Impedenza incrementa dopo l impianto maggiore attenuazione del segnale necessità di incrementare l ampiezza dell impulso necessità di misurare l impedenza degli elettrodi V fase cronica log(t)

25 Sorgenti di energia caratteristiche ideali tempo di vita 37 o più lungo possibile elevata densità di energia volumetrica e gravimetrica possibilità di miniaturizzazione assenza assoluta di perdita di gas/liquidi impermeabilità tensione adeguata (più alta possibile)

26 Sorgenti di energia soluzioni accumulatori Ni-Cd bassa capacità, continue ricariche (induzione), bassa affidabilità, scarica brusca e di diffiile previsione pile Zn-Hg rischio di perdite Celle nucleari (anni 70) buona capacità e affidabilità (durata anni) rischio di contaminazione ambientale all espianto Batterie Litio Buona capacità e affidabilità Facili da monitorare Precauzioni sull uso del litio energy harvesting

27 Telemetria Interfaccia wireless attivazione di relè: campo magnetico costante + un campo a RF per l effettiva programmazione in fase di programmazione funzionamento asincrono

28 Rate responsivness Ha significato se c è attivita cardiaca residua sensori di movimento (frequenza di pacing varia con attività) Sensore di acidità riduzione ph durante eercizio fisico Sensori di temperatura attività muscolare C Saturazione ossigeno Frequenza respiratoria (sensore meccanico o impedenza transcutanea)